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        直接晶化瓶級PET生產(chǎn)工藝特點分析

        2017-06-01 12:20:09
        當代化工 2017年4期
        關(guān)鍵詞:縮聚反應(yīng)晶化造粒

        劉 伯 韜

        (中國昆侖工程有限公司,北京100037)

        直接晶化瓶級PET生產(chǎn)工藝特點分析

        劉 伯 韜

        (中國昆侖工程有限公司,北京100037)

        中國昆侖工程有限公司在原有瓶級 PET生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,開發(fā)出一種新型直接晶化瓶級 PET生產(chǎn)工藝。介紹了工藝和某實際工程案例進行分析,與傳統(tǒng)工藝從固定投資、運行成本等工程角度對比。

        瓶級PET;直接晶化;固相縮聚;工藝對比

        聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)自1953年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來,經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為用途最為廣泛的聚合材料,目前全球PET的消費量已經(jīng)接近9 000萬t,且仍在以每年5%~8%的速度增加。PET由于其優(yōu)異的機械性能、耐熱性、耐腐蝕性和透光性,廣泛用于纖維、包裝用瓶、薄膜和工業(yè)絲等領(lǐng)域。特別是近年來PET在飲料瓶,飲用水瓶和油瓶的應(yīng)用,已經(jīng)幾乎完全取代玻璃瓶,成為僅次于纖維領(lǐng)域的第二大消費市場。 2010年至2014年,國內(nèi)瓶級PET的產(chǎn)能和產(chǎn)量年均增長率達到驚人的22%和28.6%,預(yù)計2017年底國內(nèi)瓶級PET產(chǎn)能將達到1 100 t[1]。

        長期以來,瓶級PET生產(chǎn)工藝一直存在流程較長,能耗較高的問題。瓶級PET的消費量不斷攀升促進了業(yè)內(nèi)對其生產(chǎn)工藝優(yōu)化的研究,美國杜邦公司、瑞士UIF公司、德國吉瑪公司等都在加大研發(fā)力度,各家的研究各有特點[2]。中國昆侖工程有限公司,作為國內(nèi)領(lǐng)先的 PET專利商,一直致力于PET生產(chǎn)工藝的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新,在原有的酯化-縮聚-固相縮聚工藝的基礎(chǔ)上,開發(fā)出直接晶化瓶級PET生產(chǎn)工藝。

        1 兩種瓶級PET生產(chǎn)工藝介紹

        1.1 傳統(tǒng)工藝路線

        傳統(tǒng)瓶級PET生產(chǎn)工藝分兩步進行:

        (1)精對苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)經(jīng)過兩段酯化(酯化率約為 97%)[3]、兩段預(yù)縮聚和終縮聚最終生成特性粘度為0.59~0.64 dl/g的熔體[4],經(jīng)水下拉條切粒冷卻干燥至40 ℃以下,成為長度約為 2.5 mm的圓柱形切片,送至固相縮聚裝置(簡稱“SSP”)。

        (2)PET切片在SSP裝置中經(jīng)過預(yù)結(jié)晶、結(jié)晶、固相縮聚、冷卻除塵等工段,分子鏈進一步增長,最終成為特性粘度0.7~0.85 dl/g的瓶級PET切片。

        整個工藝流程如圖1所示。

        圖1 傳統(tǒng)瓶級PET生產(chǎn)工藝流程示意圖Fig.1 Traditional bottle grade PET production process flow diagram

        1.2 直接晶化瓶級PET生產(chǎn)工藝路線

        直接晶化瓶級PET工藝與傳統(tǒng)PET生產(chǎn)工藝的前半部分相似,均是采用酯化+預(yù)縮聚+終縮聚的工藝生產(chǎn)聚酯熔體,不同的地方在后半部分,主要有以下兩點:

        (1)造粒采用新型高溫水下切粒機,熔體經(jīng)旋轉(zhuǎn)刀片在切割室內(nèi) 90 ℃左右水相環(huán)境中切粒,同時熔體固化,生產(chǎn)出球形顆粒(顆粒直徑 3 mm左右),隨后切片干燥后送至后續(xù)工段。這具有兩個優(yōu)點:首先,PET切片在80~90 ℃的水相環(huán)境中結(jié)晶度可以達到30%左右,沈希軍等人的實驗已經(jīng)證實了這一點[5];另外,提高基礎(chǔ)切片的結(jié)晶度可以有效防止切粒團聚粘連,有利于后續(xù)的固相縮聚反應(yīng)的發(fā)生;再次,切片粒徑越小,固相縮聚反應(yīng)常數(shù)越大[6]。

        因此認為該設(shè)備從工藝的角度有利于固相縮聚反應(yīng)。此外,從工程的角度上說,該設(shè)備具有占地小,易操作,刀具磨損小,運維成本低等特點,與傳統(tǒng)拉條式切粒機相比優(yōu)勢明顯,在PET生產(chǎn)行業(yè)具有廣闊的前景[7]。

        另外進切粒機前的熔體過濾器采用碟片過濾器,取代傳統(tǒng)雙聯(lián)式過濾器,減小占地面積,節(jié)省過濾器清洗系統(tǒng),維護成本大幅降低。

        (2)因為在高溫水下造粒的基礎(chǔ)切片已經(jīng)具備一定的結(jié)晶度,所以SSP裝置不必設(shè)置預(yù)結(jié)晶器。

        基礎(chǔ)切片經(jīng)高溫水下切粒機后被快速送到結(jié)晶器,在空氣環(huán)境下進一步結(jié)晶,結(jié)晶度達到42%左右。

        隨后切片在氮氣環(huán)境中被送到預(yù)熱器(因為溫度超過 180 ℃切片會發(fā)生氧化,故預(yù)熱工段直至SSP反應(yīng)工段都在氮氣環(huán)境下進行),在預(yù)熱器中加熱至210 ℃左右,結(jié)晶度達到52%,同時會發(fā)生初步的固相縮聚反應(yīng),在預(yù)熱器中聚酯分子量會增長20%左右。

        由于經(jīng)高溫水下造粒的基礎(chǔ)切片溫度高于傳統(tǒng)切粒機生產(chǎn)出的切片溫度,預(yù)熱器的負荷較傳統(tǒng)工藝也顯著降低。

        預(yù)熱后的切片被送到固相縮聚反應(yīng)器上方入口,靠重力下落,在210 ℃左右的環(huán)境中與下方通入的氮氣逆向接觸,進一步發(fā)生縮聚反應(yīng),同時上升的氮氣帶走副產(chǎn)乙醛、乙二醇和水等揮發(fā)物,后經(jīng)冷卻至60 ℃生產(chǎn)出瓶級PET切片,此時結(jié)晶度在53%左右,粘度達到0.8~0.85 dl/g,乙醛含量在1 ppm以下。

        圖2為直接晶化瓶級PET生產(chǎn)工藝示意圖。

        圖2 直接晶化瓶級PET生產(chǎn)工藝流程示意圖Fig.2 Direct-crystallization bottle grade PET production process flow diagram

        通過以上工藝優(yōu)化,實現(xiàn)縮短流程,降低運行成本的目的。下面以一個實際案例從工程角度將兩種工藝路線進行對比。

        2 案例分析

        該項目為某擬建日產(chǎn)1 200 t瓶級PET切片裝置,基礎(chǔ)切片生產(chǎn)采用一頭兩尾五釜流程,即兩段酯化反應(yīng)器、兩段預(yù)縮聚反應(yīng)器為1 200 t反應(yīng)器,預(yù)聚物產(chǎn)物分兩路,后接兩臺600 t終縮聚臥式反應(yīng)器。該PET裝置生產(chǎn)能力僅次于國內(nèi)單線最大生產(chǎn)能力(日產(chǎn)1 500 t),為中國昆侖工程有限公司自主開發(fā)的成熟的五釜PET成產(chǎn)工藝。后續(xù)造粒工段配置六臺新型高溫水下切粒機(四用兩備),造粒后不再設(shè)置切片料倉,基礎(chǔ)切片直接被送到兩條獨立的日產(chǎn)600 t瓶級PET切片的固相縮聚生產(chǎn)線。以下從產(chǎn)品質(zhì)量、固定投資、運行成本三個角度進行分析比較。

        2.1 產(chǎn)品質(zhì)量

        兩種工藝路線均能生產(chǎn)出優(yōu)等瓶級 PET聚酯產(chǎn)品,特性粘度在(0.85±0.02)dl/g,b值小于 2.5,乙醛含量在1 ppm以下。

        2.2 固定投資

        直接晶化工藝可省略切片中間料倉兩個和成品料倉三個、切粒除鹽水系統(tǒng)一套、過濾器清洗系統(tǒng)一套,預(yù)結(jié)晶器兩臺,終聚物熔體雙聯(lián)過濾器八臺改為六臺碟片過濾器,共計各類設(shè)備13臺/套,大幅度降低了設(shè)備材料采購成本。兩種工藝路線的設(shè)備對比見表1。

        表1 設(shè)備對比表Table 1 Equipment comparison

        由于設(shè)備配置不同,因此相應(yīng)的管道、儀表、電氣、土建方案均發(fā)生變化,例如取消三臺公稱容積約1 000 m3的成品料倉,采用碟片過濾器取代雙聯(lián)過濾器,取消預(yù)結(jié)晶器等大型設(shè)備,因此節(jié)省土建投資約人民幣200萬元。經(jīng)過核算,采用新型直接晶化工藝,固定投資(包括設(shè)備、電氣、儀表、管道材料、土建費用等)可節(jié)省人民幣近1 100萬元。另外需要特別說明的是,目前國內(nèi)仍不能加工制造用于PET行業(yè)的高溫水下球切機,該設(shè)備需從國外進口,價格昂貴,如若能將該設(shè)備國產(chǎn)化,裝置投資可進一步大幅度降低。

        2.3 運行成本

        運行成本的變化應(yīng)考慮節(jié)省的公用工程費用,以及易損易耗件維護的費用,具體從以下幾個角度考慮:

        (1)采用高溫水下球切機,是熔體狀態(tài)下直接切粒,比傳統(tǒng)切粒機凝固后切粒大幅節(jié)省了電能和刀具的損耗。

        (2)采用碟片過濾器取代雙聯(lián)過濾器,節(jié)省占地,大幅降低了濾芯維護更換費用。另外由于取消了切粒除鹽水系統(tǒng)和過濾器清洗系統(tǒng),用水和蒸汽顯著節(jié)省,。

        (3)避免了基礎(chǔ)切片溫度過低,到SSP裝置再升溫的換熱浪費,降低了SSP裝置預(yù)熱器的熱負荷。

        可見新型直接晶化工藝,能夠大幅節(jié)省運行成本,兩種工藝公用工程消耗分析見表2。

        綜合以上公用工程消耗節(jié)省情況,年產(chǎn)40萬t瓶級PET裝置采用直接晶化工藝比傳統(tǒng)工藝每年可節(jié)約公用工程成本人民幣420余萬元,經(jīng)濟效益明顯。若再考慮節(jié)省的切粒機刀具損耗以及過濾器濾芯的維護更換費用,運行成本會進一步下降。

        表2 公用工程消耗對比表Table 2 Utility consumption comparison

        3 結(jié) 論

        通過以上案例分析可以看出,新型直接晶化工藝采用新型高溫水下切粒技術(shù),在較高的溫度下使聚酯熔體在造粒及輸送的過程中發(fā)生預(yù)結(jié)晶,從而使PET-SSP生產(chǎn)工藝流程及能量利用大幅優(yōu)化,節(jié)省設(shè)備一次性投資及操作運行成本。該種工藝與傳統(tǒng)工藝相比,具有先進性,代表了瓶級PET固相縮聚生產(chǎn)工藝的發(fā)展方向。

        [1] 龍燕,謝俊彪.國內(nèi)外瓶級聚酯的市場及應(yīng)用[J].合成樹脂及塑料,2015,32(5):82-83.

        [2] 王偉. 瓶級PET生產(chǎn)技術(shù)進展[J].合成樹脂與塑料, 2016, 33(1):79-81.

        [3] 周華堂,許賢文,張慧書,等.預(yù)縮聚反應(yīng)器:中國,102775584[P].2012-11-14.

        [4] 周華堂,羅文德,顧愛軍,等.高效多段式終縮聚反應(yīng)器:中國,101612546[P].2009-12-30.

        [5] 沈希軍,等,聚醋切片結(jié)晶行為與固相縮聚過程新流程方案[J]. 高分子材料科學與工程,2008, 24(8):156-157.

        [6] 張健,謝文健. PET固相縮聚的主要影響因素[J]. 聚酯工業(yè),2009,22(6):18-19.

        [7] 李彩虹,徐年富,屠嶺,等. 直切式水下切粒機的技術(shù)特點與應(yīng)用前景分析[J]. 輕工機械,2005(3):115-116.

        環(huán)氧樹脂:環(huán)保影響需求 市場延續(xù)弱勢

        據(jù)悉,在兩會期間,環(huán)境保護部部長陳吉寧透露,2017年環(huán)保部將完成環(huán)保督查各省份全覆蓋,4月起將對湖南、安徽、新疆、西藏、貴州、四川、山西、山東、天津、海南、遼寧、吉林、浙江、上海、福建等15個省進行督察。去年我國高達3 000多家小微型涂料企業(yè),因違反了國家相關(guān)政策法規(guī),而被淘汰關(guān)閉。在環(huán)保監(jiān)管越來越嚴的今天,江蘇、山東、湖南、四川等省相繼出臺了一些政策,這些政策都會對涂料等相關(guān)行業(yè)造成一定的影響。

        由上圖可知,我國環(huán)氧樹脂最大的消費群體以涂料為主,占需求總量的 39%左右。而其他下游終端如電子電器、膠黏劑行業(yè)等需求低迷,進而導(dǎo)致環(huán)氧樹脂市場供應(yīng)方向調(diào)整及需求量削減。復(fù)合材料行業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè),但受技術(shù)工藝制約以及國內(nèi)“棄風限電”等制約,經(jīng)過了2015年的突飛猛進的發(fā)展后進入了為期3-5年的平緩過度期,國內(nèi)環(huán)保壓力的增加也對膠黏劑等行業(yè)帶來了沖擊,而其他較為環(huán)保的新興產(chǎn)品如水性涂料受到技術(shù)制約發(fā)展仍處于起步階段,對環(huán)氧樹脂的需求預(yù)期相對平穩(wěn)。 我國固體環(huán)氧樹脂是粉末涂料的主要原料,主要應(yīng)用在防腐管道、家電表面噴涂等,液體環(huán)氧樹脂主要應(yīng)用于汽車底漆、集裝箱及船舶噴涂。隨著國家環(huán)保檢查力度的不斷施壓,部分小型粉涂工廠因排污設(shè)施不完善被勒令停產(chǎn)整改,更有部分面臨淘汰風險,開工負荷的降低,也就意味著整體需求的收縮,且環(huán)保檢查并不是一時三刻就能結(jié)束的,所以對環(huán)氧樹脂的需求也將保持淡弱格局。

        Analysis on Process Characteristics of Bottle Grade PET Production by Direct-crystallization Method

        LIU Bo-tao

        (China Kunlun Contracting & Engineering Co., Ltd., Beijing 100037, China)

        China Kunlun Contracting & Engineering Co., Ltd (CKCEC) has developed a direct-crystallization bottle grade PET production process based on the traditional process. In this paper, the newly developed process was introduced. Afterwards, a real case was studied, the process was compared with traditional process from the perspective of investment and operating cost.

        Bottle grade PET; Direct-crystallization; SSP; Process comparison

        TQ 325

        A

        1671-0460(2017)04-0715-03

        2017-03-10

        劉伯韜(1984-),男,山東省東營市人,工程師,碩士研究生,畢業(yè)于大連理工大學化學工程專業(yè)。目前任職于中國昆侖工程有限公司,從事聚酯裝置工程設(shè)計和項目管理等工作。E-mail:liu_botao@cnpc.com.cn。

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